Calculation of the Coupling Coefficient of Twin-Core Fiber Based on the Supermode Theory with Finite Element Method

Currently, coupled mode theory (CMT) is widely used for calculating the coupling coefficient of twin-core fibers (TCFs) that are used in a broad range of important applications. This approach is highly accurate for scenarios with weak coupling between the cores but shows significant errors in the strong coupling scenarios, necessitating the use of a more accurate method for coupling coefficient calculations. Therefore, in this work, we calculate the coupling coefficients of TCFs using the supermode theory with finite element method (FEM) that has higher accuracy than CMT, particularly for the strong coupling TCF. To investigate the origin of the differences between the results obtained by these two methods, the modal field distributions of the supermodes of TCF are simulated and analyzed in detail.

改进PDMS的高灵敏度C-LPFG丙酮气体传感器研究

本文研究了一种基于级联长周期光纤光栅(C-LFPG)丙酮气体传感器。以单个长周期光纤光栅(LPFG)结构为基础,对聚合物敏感涂层聚二甲基硅氧烷(PDMS)折射率变化进行了仿真分析,研究了LPFG和C-LPFG对丙酮气体的灵敏度的影响。结果表明:优化PDMS后C-LPFG传感器的灵敏度约为-605 nm/RIU,相较于传统C-LPFG的灵敏度增大了约6倍,是传统LPFG传感器灵敏度的5.26倍,检测范围扩大了约1.5倍。

长周期光纤光栅(LPFGs)的谱结构研究

利用相位匹配条件,从理论和实验上研究了均匀LPFGs的谱结构特点结果表明,导模和不同包层模耦合产生的光谱特性有很大差别在模序较小时,谱宽较小;模序增加,谱宽也增加;在某一模序附近,谱宽达到最大;以后随模序增加,谱宽迅速减小给出了LPFGs中透射谱的最大损耗率及3dB带宽与包层模序、光栅周期、耦合系数和栅长的关系这些关系对设计满足特定最大损耗率和带宽的带阻滤波器或增益均衡器提供一种理论参考选用不同的包层模、耦合系数和栅长。

镀有SiO_2-WO_3纳米复合薄膜LPFG气体传感特性研究

以钨粉和正硅酸乙酯为原料,采用溶胶-凝胶工艺和浸渍提拉镀膜方法,在玻璃衬底上制备出了具有气敏传感特性的SiO2-WO3纳米复合薄膜.采用原子力显微镜和X射线衍射仪表征了薄膜样品的表面形貌和物相结构.实验结果表明:掺杂SiO2使WO3薄膜中的颗粒尺寸减小,空隙率提高,比表面积增大.将SiO2-WO3复合薄膜镀于长周期光纤光栅上(LPFG),在室温条件下,将LPFG置于体积分数为2%的NO气体中,LPFG谐振峰红移了4.77 nm,损耗由-9.93 dB变为-8.53 dB,相应的气体传感灵敏度达到3%,元件响应时间10 s,恢复时间20 s.

应用LPFG/EFPI集成式光纤传感器实现温度及应变的同时测量

叙述了基于LPFG/EFPI的集成式光纤传感器的结构、温度和应变同时测量的原理及实验 ,首次制作了该传感器并测试了其性能 实验结果表明温度精度为± 0 .5℃ ,应变精度为± 2 0 με 。

LPFG和FBG级联结构双参数光纤传感器研究

提出了一种长周期光纤光栅(LPFG)级联布拉格光纤光栅(FBG)的温度/应变双参数光纤传感器。利用飞秒激光直写制作LPFG并级连FBG,且FBG波谷位置为1 551.9 nm,LPFG波谷位置为1 559.1 nm,最高对比度为-12.7 d B。在30~70℃温度变化范围内对传感器温度特性进行测试,并在25℃超净环境下对0~500με应变变化范围内对传感器应变特性进行测试。实验结果表明,升温过程FBG中心波长发生红移,灵敏度15.00 pm/℃,线性度0.981 3;LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度-11.75 pm/℃,线性度0.945 3。降温过程FBG中心波长发生蓝移,灵敏度18.25 pm/℃,线性度0.953 8;LPFG中心波长发生红移,灵敏度-15.42 pm/℃,线性度0.980 2。加载过程FBG中心波长发生红移,灵敏度0.93 pm/με,线性度0.991 5;LPFG中心波长发生蓝移,灵敏度-1.51 pm/με,线性度0.986 3。卸载过程FBG中心波长发生蓝移,灵敏度0.92 pm/με,线性度0.990 9;LPFG中心波长发生红移,灵敏度-1.51 pm/με,线性度0.972 8。结果表明,该光纤传感器灵敏度高,线性度好,可以同时动态实现应变和温度的测量。

单个LPFG实现溶液温度和折射率测量的两种方法

长周期光纤光栅(LPFG)具有不同损耗峰,对外界环境表现出不同的灵敏度;一个损耗峰近似线性区的光强对数值与外界环境参量均具有线性关系,并且折射率在一定范围内时损耗峰中心波长与外界环境参量同样具有线性关系。本文提出两种单个光纤光栅进行温度和折射率同时测量的方法,长周期光纤光栅透射谱的两个不同阶次的损耗峰具有不同的温度和折射率灵敏度;一个损耗峰的近似线性区内光强对数值和其损耗峰同样具有不同的温度折射率灵敏度。利用这两种谱特性实现单个光栅双参数测量。对长周期光纤光栅的光谱进行理论分析和数值仿真,证实了这两种方法的可行性。单个长周期光纤光栅作为传感器较其他结构复杂的传感器的灵敏度相对较低,由于其解调简单、成本低廉、体积小巧,具有很好的应用前景。

基于LPFG微弯特性的高精度位移检测系统

在研究长周期光纤光栅(LPFG)温度及微弯特性的基础上,通过引入聚合物温度增敏封装后的光纤布拉格光栅(FBG)作为解调滤波器,搭建了温度自补偿微位移检测系统.将LPFG粘贴于试件上进行微弯测试,在固定波长处,其插入损耗的变化与弯曲度变化呈线性关系.为解决LPFG带宽宽、谐振波长难以精确测量的问题,选择特定波长的FBG作为滤波器,实现了位移检测系统的功率化解调.同时,对FBG利用聚合物进行了温度增敏封装,使其温度灵敏度与LPFG尽量相同,消除了温度对系统的影响.试验结果表明,传感系统输出的光功率与微位移呈良好的线性关系,位移灵敏度为2μW/mm,分辨力为0.5×10-2mm.所设计的系统结构简单、灵敏度高、线性度好,不受外界温度干扰.

FBG-LPFG组合式传感器对液体浓度和温度的测量研究

为实现溶液内测量点的浓度与温度同时测量,将FBG与LPFG进行级联,并使得两段光栅呈串联形式,使得测量区域更加集中于相同位置,不仅解决了温度对LPFG在测量折射率时的交叉影响,又同时实现了温度与折射率的同时测量。实验结果表明,在同一环境下,当仅有温度参数发生变化时,FBG中心波长偏移量为0. 008 5 nm/℃,而LPFG偏移量为0. 074 7 nm/℃;当环境测量点仅有浓度发生变化时,FBG的中心波长几乎没有偏移,LPFG的折射率灵敏度为-32. 42 nm/RIU。因此本文研究设计的组合式光纤光栅传感单元能够实现浓度与温度双参数的同时测量。

LPFG镀层参数对其折射率传感特性的仿真分析

长周期光纤光栅在传感测量领域具有防爆、防磁、抗干扰等优点,且对周围介质折射率的变化敏感,适用于矿井、油田等易燃、易爆、强电磁干扰环境及具有毒性、腐蚀性等不宜接触的液体的折射率测量。本文采用在长周期光纤光栅包层外沿径向镀一金属薄层的方式,从长周期光纤光栅传感原理着手,利用三包层模型的本征方程,并借助MATLAB进行方程求解和仿真分析,讨论了包层模序数、光栅周期、膜层厚度等参数与谐振峰中心波长偏移的关系。为合理选择光栅结构参数、制作符合要求的长周期光纤光栅用于折射率传感测量提供了依据。

金属氧化物半导体材料用于LPFG气敏传感研究

通过分析长周期光纤光栅(LPFG)透射波长与金属氧化物半导体材料电导率、折射率之间存在的关联性,针对性分析了温度对材料气敏性能的影响,综合讨论金属氧化物半导体材料应用于LPFG气敏传感的合理性。建立了金属氧化物半导体材料应用于LPFG气敏传感时各相关量之间对应的逻辑关系,并利用光纤光栅传感特性辅助分析系统做出理论计算进行验证。计算结果与理论分析呈现出良好的一致性,当还原性气体吸附导致外包层n型金属氧化物半导体材料折射率增大时,LPFG透射波长逐渐向短波方向移动,表现出了相应的气体敏感特性。

基于双芯LPFG边缘滤波的动态解调系统

为了实现长周期光纤光栅(LPFG)边缘滤波动态解调,利用LPFG的线性滤波特性,并结合压电陶瓷(PZT)的压电效应,提出一种基于双芯LPFG边缘滤波光纤布喇格光栅(FBG)动态解调系统。对该系统进行理论分析、可行性分析和仿真分析,并与静态滤波系统进行比较。结果表明:该系统具有较高的稳定性、精度和线性度。

少模LPFG的写制及其温度传感特性的研究

首先基于LPFG温度传感理论对相位匹配条件进行了仿真,然后介绍了利用高频CO_2激光脉冲法在少模光纤上制备LPFG的过程,并且对写制的少模LPFG进行了温度传感特性的测量。

利用LPFG对应变和温度进行同时测量的研究

针对布喇格光纤光栅(FBG)同时测量应变和温度时测量精度低的问题,提出了利用双芯长周期光纤光栅(LPFG)对应变和温度同时测量的方案。描述了方案的原理和实现方法,并通过仿真和数值计算验证了方案的性能。

基于双模LPFG折射率不敏感双参量传感器

环境折射率和环境温度变化是影响光纤应变测量误差的主要因素。本文利用双模光纤纤芯双模式(LP01和LP11)支持特性设计了一款环境折射率不敏感的双模光纤(DMF)长周期光纤光栅(LPFG)应变传感器。设计了传感器模型结构,制作了最优化参数的传感器样品。实验测试了DMF-LPFG传感结构对外部环境中应变、温度和折射率的响应。通过在单模光纤上用紫外激光刻写的布拉格光栅(FBG)解决了环境温度的交叉影响。轴向应变实验结果表明,该新型结构传感器在0με~840με应变范围内其轴向应变灵敏度可以达到-5.4 pm/με,该灵敏度值相比较于普通LPFG有很大提高。温度在25℃~80℃范围内其灵敏度为58.86 pm/℃,表现出较好的线性度。同时,传感器对环境折射率变化表现出不敏感特性。通过采用双参数矩阵对少模LPFG和FBG的应变和温度灵敏度进行处理,可以实现双参数的同时解调。该新型复合光栅结构具有良好的传感性能和工程应用前景。

三芯LPFG模式耦合及有效折射率计算方法

以耦合模理论为基础,研究了两种不同结构的三芯长周期光纤光栅的模式耦合方式,推导了模式耦合方程.分析了两种不同结构三芯光纤光栅包层模有效折射率的计算方法,并对包层模有效折射率进行了数值模拟计算.模拟计算结果表明,不同纤芯排列方式会影响一阶奇次和偶次包层模有效折射率随波长增加而减小的程度.研究结果为三芯长周期光纤光栅的进一步应用开发提供了潜在的理论指导.

特殊LPFG温度传感器的灵敏度特性研究

普通长周期光纤光栅(LPFG)温度传感器的灵敏度较低,在一些需要对温度进行精确测量的领域中,该传感器的使用受到限制。为了解决这一问题,从理论上分析了LPFG温度传感器的灵敏度影响因子,并且依据理论分析,选取特殊的聚合物聚氯乙烯(PVC)和环氧树脂作为纤芯材料来进行灵敏度研究。仿真研究发现,与普通LPFG温度传感器相比,在一定的温度范围内,使用环氧树脂作为纤芯材料的光纤光栅温度传感器具有较大的温度灵敏度,在25℃~30℃之间温度灵敏度可以达到37.8nm/℃,相当于普通纤芯LPFG温度传感器的16倍。该结论表明,使用环氧树脂作为纤芯材料可以提高LPFG温度传感器的灵敏度,进一步拓展光纤光栅传感器的应用范围。

基于CO_(2)激光器的长周期光栅制作及实验

长周期光纤光栅(LPFG)作为一种重要的无源光器件,以其独特的性能和优势被广泛应用于光纤通信与传感领域;近年来发表了许多不同的LPFG制造方法,但产品可靠性依旧是需要解决的关键问题;提出用CO_(2)激光熔融拉伸法制备长周期光纤光栅,改善了在LPFG制备中各种因素影响导致刻写失败的问题,该方法采用CO_(2)激光器对光纤进行加热软化,在步进电机的恒定拉力下拉锥,重复在据上一锥形中心一个光栅周期的位置处加热拉伸,得到在波长为1 539 nm处出现最大衰减峰,峰值大于15 dB的长周期光纤光栅,提高了LPFG的制备成功率及一致性;并对产品的可靠性进行验证,测试其温度、轴向应力的敏感特性;该研究在光纤激光系统及其应用的光学器件方面有较大应用潜力。

基于覆膜锥形长周期光纤光栅的高灵敏度海水盐度传感器研究

文章提出了一种基于包覆TiO_(2)纳米薄膜锥形长周期光纤光栅(long-period fiber grating,LPFG)的高灵敏度海水盐度传感器。通过将多种增敏方案,包括调节LPFG的工作点位于转换点附近、倏逝场增强和模式转变效应有效结合,显著提高了传感器在海水盐度典型变化范围(0.5~0.8 M)对应的环境折射率变化(1.339~1.342)区间内的灵敏度。利用四层圆柱形波导模型,采用矢量模分析法计算了传感器的优化参数。利用原子层沉积技术,将TiO_(2)纳米薄膜包覆在锥形光纤上制备的LPFG表面。实验结果表明:LPFG的HE1,12模式的环境折射率灵敏度超过1×10^(4)nm/RIU,盐度灵敏度超过110 nm/M,线性度达到0.998。实验结果与理论计算吻合较好。

长周期光纤光栅温度传感器应变交叉敏感的研究

长周期光纤光栅是透射谱光栅,纤芯基模与同向各阶包层模发生耦合,谐振波长和幅值对外界环境的变化非常敏感,比传统布拉格光纤光栅具有更好的温度、应力、弯曲、扭曲、横向载荷、折射率等的传感特性。由于长周期光纤光栅对两个或者多个参量都是敏感的,当光纤光栅用于传感测量时,很难分辨出各个参量分别引起的被测量的变化,交叉敏感问题比布拉格光纤光栅严重的多。交叉敏感是光纤光栅传感中的关键问题。分析了目前较为典型的解决策略和方案,在此基础上提出了联系的思想和解决方案,提出并实验验证了一种解决长周期光纤光栅温度传感测量中应力与温度的交叉敏感问题。充分利用了LPFG温度与应变交叉敏感的现象,利用联系的思想,将应变对温度的负面干扰转变为正面的增敏。